Comparaison des résultats de nitruration pour un acier faiblement allié au chrome

L'acier 32CDV13 est un acier de hautes caractéristiques qui est utilisé pour les pièces mécaniques sensibles, par exemple les trains d'atterrissages des avions. La nitruration, améliorant la résistance à la fatigue, il est intéressant de regarder l'effet d'une nitruration au potentiel flottant de manière à introduire des contraintes plus élevées à basse température et éviter les déformations. De plus, pour comparer avec les traitements de nitruration exposés précédemment des essais de nitruration sur cet acier dont la composition est donnée dans le tableau 4, ont été réalisés dans le réacteur URANOS. Il est aussi intéressant de regarder l'influence des éléments d'additions en particulier le chrome qui est absent de l'acier 35MV7, en effet cet élément à une forte affinité pour l'azote. Cet acier a été élaboré par Peugeot (Belchamp). C Mn Ni Cr Mo Si S P Fe % massique 0,28-0,36 0,30-0,80 2,7- 3,3 0,7- 1,2 0,20-0,40 ^<0,50 0,02-0,04 ^{<0,025 compl} Tableau 4 : Compositions massiques de l'acier 32CDV13

Six conditions de traitement ont été sélectionnées. Les conditions expérimentales étaient les suivantes : 380 °C, 4 heures de traitement et le gaz utilisé était soit NH3 soit un mélange N2 -H₂ avec un pourcentage respectivement de 90 % et 10%. Comme pour l'acier 35MV7 nous avons distingué une rampe plasma et une rampe thermique et deux états de surface. C'est à dire que nous avons traité un échantillon brut de rectification et un autre rectifié puis poli sous eau avec plusieurs papiers abrasifs de carbure de silicium de grain décroissant. Le tableau 5 reprend les différentes conditions.

NH3 - 380 °C - 4 heures ^{N2/H2 (90%/10%) - 380 °C -} 4 heures

Rectifié Rectifié Procédé rampe termique

Poli Poli

Procédé rampe plasma Poli Poli Tableau 5 : Conditions de traitements de nitruration

3.1 Résultats de diffraction des rayons X

Le diagramme de DRX obtenu en configuration θ/2θ révèle sur le matériau initial la présence de la phase cubique centrée du fer. Les deux états de surface (rectifié et polie) avant traitement présentent une légère variation de paramètre de maille calculée à partir des pics de diffraction. Pour l'échantillon rectifié on trouve aFeα = 0.28699 nm et aFeα = 0,28740 nm pour celui qui est poli. Ces paramètres de maille sont proches du fer pur qui est de 0,28640 nm. Dans le cas, de la nitruration avec un mélange réactif composé d'azote et d'hydrogène, les diagrammes de DRX révèlent la présence d'un composé défini de nitrure Fe3N de structure hexagonale, qui est une phase très dure et qui a de bonnes propriétés en frottement. La figure 21 présente les trois diagrammes de DRX pour le traitement N2-H2. Pour ces diffractogrammes, nous n'avons pas de différence notable; dans tous les cas la profondeur sondée par les rayons X (1 à 3 µm) entraîne la diffraction des plans de la structure Fe3N et celle du Fe_α. Pour un traitement de nitruration avec de l'ammoniac, les différents diagrammes de DRX (Figure 22) mettent aussi en évidence la présence de nitrure Fe₃N dans les trois cas. Mais en comparant les intensités relatives des différents pics du fer α et ceux du nitrure Fe₃N, nous constatons que nous avons très peu de nitrure en surface pour le traitement utilisant de l'ammoniac.

37.5 40.0 42.5 45.0 0 500 1000 1500 2000 2500 Fe₃N Fe₃N Fe₃N Feα

Rectifié - Rampe thermique Poli - Rampe thermique Poli - Rampe plasma

Intensité (coups / s)

2

θ

Figure 21 : Diagramme de DRX de l'acier traité sous N2-H2 (90 % -10 %) à 380 °C 4 heures

38 40 42 44 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Fe₃N Fe₃N Fe₃N Feα

Rectifié - Rampe thermique Poli - Rampe thermique Poli - Rampe plasma

Intensité (coups / s)

2

θ

3.2. Résultas de microdureté

Les résultats de microdureté de surface sont présentés dans le tableau 6; les valeurs données sont la moyennes sur dix pointés effectués de manière aléatoire sur la surface. A partir de ces valeurs, nous avons tracé la dureté de surface en fonction de la charge appliquée dans le but de comparer l'effet des différents gaz (Figure 23), des conditions de montée en température et de préparation de surface (Figure 24).

Hv 500g (Vickers) Hv 100g (Vickers) Hv 25g (Vickers) Acier 32CDV13 220 236 256 NH3 N2 -H2 NH3 N2 -H2 NH3 N2 -H2 Rectifié 751 682 - - - - Procédé rampe thermique Poli 708 656 815 862 895 998 Procédé rampe plasma ^{Poli 760 655 929 907 1030 1065} Tableau 6 : Valeurs de microdureté de surface pour les différents traitements à 380 °C

0 100 200 300 400 500 500 600 700 800 900 1000 NH₃ Rampe thermique N₂ - H₂ (90 % - 10 % ) Rampe thermique Dureté Vickers Charge (g) 0 100 200 300 400 500 500 600 700 800 900 1000 NH₃ Rampe thermique NH₃ Rampe plasma Dureté Vickers Charge (g)

Figure 23 : Dureté Vickers en fonction de la charge appliquée, pour un traitement à 380 °C

Figure 24 : Dureté Vickers en fonction de la charge appliquée, pour un traitement à 380 °C Les valeurs à 100 et 25 grammes ne sont pas données pour l'échantillon rectifié car l'état de surface ne permettait pas une lecture correcte de la taille de l'empreinte laissée par l'indenteur. En comparant les traitements pour une charge de 500 grammes, nous ne constatons pas de différence significative suivant le traitement et l'état de surface. Nous avons une dureté multipliée par 3 à cette charge et par 4 à 25 grammes. En effet à 500 grammes la profondeur

de l'empreinte est de 7,6 µm alors qu'elle n'est que de 1,3 µm à 25 grammes et dans ce dernier cas nous ne sollicitons que l'extrême surface du matériau. Par contre, la figure 23 montre que, pour un même procédé, les valeurs obtenues avec un traitement N2-H2 sont supérieures et la figure 24 indique que l'élévation de dureté est plus marquée pour le procédé rampe plasma. Comme nous l'avons déjà vue pour l'acier 35MV7, les gradients de concentration d'azote se superposent aux filiations de dureté. Nous n'avons donc effectué pour cette étude que des profils de dureté. La figure 25 représente les profils de microdureté en fonction de la profondeur pour les différents traitements avec un mélange azote, hydrogène. L'état de surface initial et les différentes conditions de nitruration utilisées n'ont pas d'effet sur les profils de microdureté en volume, contrairement à la surface. Dans les trois cas la longueur de diffusion, définie comme la dureté de c œur plus 100 Vickers, est de 60 µm pour 4 heures de traitement à 380 °C. Pour le cas du traitement avec de l'ammoniac les profils et les longueurs de diffusion sont sensiblement les mêmes.

0 20 40 60 80 100 300 400 500 600 700 800

900 Rectifié - Rampe thermique

Poli - Rampe thermique Poli - Rampe plasma

Dureté Vickers 25g

Profondeur (µm)

Figure 25 : Profil de microdureté de l'acier traité en mélange N2-H2

(90-10 %) , pour un traitement à 380 °C

Après une attaque au Nital, en coupe transverse, les observations au microscope électronique à balayage montrent que dans le cas du traitement avec de l'ammoniac nous n'observons pas de couches de combinaison, alors que pour le traitement N₂-H₂ l'épaisseur de la couche est de 2,2 µm pour l'échantillon rectifié, de 0,9 µm pour celui poli avec le procédé rampe thermique et 1 µm pour celui poli avec le procédé rampe plasma.

3.3 Discussion et conclusion

Avec l'ensemble des résultats, nous pouvons dire qu'une forte concentration d'azote dans le plasma favorise la formation de composé défini Fe₃N. Ce composé influence les valeurs de microdureté de surface, c'est à dire que l'on a des valeurs supérieures pour un traitement N₂-H₂. Ceci peut être expliqué par la présence d'une couche ε (Fe₃N) très dure à la surface. Alors que cette couche n'apparaît pas dans le cas du traitement avec de l'ammoniac, c'est exactement le même phénomène pour l'acier 35MV7. Le fait d'effectuer une montée en température en présence ou non de la phase plasma (Rampe thermique ou plasma) ne modifie pas sensiblement les résultats. Les seules différences sont les valeurs de microdureté de surface, comme le montre la figure 24, qui sont supérieures pour le procédé rampe plasma. Bien que dans ce dernier cas le temps passé par l'échantillon à la température du traitement soit plus court, la montée pendant la phase plasma peut éviter la croissance de la couche d'oxyde présente en surface et de ce fait faciliter l'adsorption d'azote. Par contre, l'état de surface avant traitement affecte sensiblement la formation de la couche de combinaison, en effet on a 2,2 µm pour un échantillon rectifié contre 0,9 µm pour un échantill on poli. Sans polissage, la surface de l'échantillon en contact avec le plasma est plus importante et les réactions de nitrurations sont facilitées . Mais on peut aussi dire en comparant les longueurs de diffusion que le nitrure en surface n'est pas une barrière pour la nitruration, en effet les longueurs sont identiques.

Nous venons de montrer que la nitruration de l'acier ferritique 32CDV13 était réalisable dans le réacteur URANOS. On peut former ou non, une couche de combinaison (Fe₃N) de quelques microns suivant le mélange réactif choisi et pour des durées de 4 heures à 380 °C les longueurs de diffusion sont de 60 µm. Pour l'acier 35MV7 on retrouve les mêmes longueurs de diffusion. En effet dans ce cas le faible pourcentage de chrome (< 1,2 % en masse) n'influence pas la diffusion de l'azote en profondeur. Nous n'observons pas de profils de microdureté ayant une décroissance très rapide (effet du piégeage du chrome), comme dans le cas des aciers inox (Deuxième Partie B-III) où là, le pourcentage de chrome est presque 20 fois plus élevé.